Методы клеточной биологии Микроскопирование
 Скачать 1.13 Mb.
|
Сцепление с поломУ человека Y-хромосома гораздо меньше, чем Х-хромосома, поэтому она не содержит некоторые гены. Эти гены у мужчин имеются только в одном экземпляре (в Х-хромосоме), поэтому такой ген всегда проявляется, даже если он рецессивный. Например, по гемофилии женщина может быть нормальной ХНХН, носительницей ХНХh и больной XhXh, а мужчина – только здоровый XHY или больной XhY. Вероятность гемофилии у мужчин 1/6660. Для того чтобы женщина болела гемофилией, она должна получить два редких гена h, вероятность такого совпадения – около 1 из 40 млн. Экспрессия и пенентрантность Ген, имеющийся в генотипе в необходимом для проявления количестве (1 аллель для доминантных признаков и 2 аллеля для рецессивных) может проявляться в виде признака в разной степени у разных организмов (экспрессивность) или вообще не проявляться (пенетрантность). Причины:
Экспрессивность – степень фенотипического проявления аллеля. Например, аллели групп крови АВ0 у человека имеют постоянную экспрессивность (всегда проявляются на 100%), а аллели, определяющие окраску глаз, – изменчивую экспрессивность. Рецессивная мутация, уменьшающая число фасеток глаза у дрозофилы, у разных особей по разному уменьшает число фасеток вплоть до полного их отсутствия. Пенетрантность – вероятность фенотипического проявления признака при наличии соответствующего гена. Например, пенетрантность врожденного вывиха бедра у человека составляет 25%, т.е. болезнью страдает только 1/4 рецессивных гомозигот. Медико-генетическое значение пенетрантности: здоровый человек, у которого один из родителей страдает заболеванием с неполной пенетрантностью, может иметь непроявляющийся мутантный ген и передать его детям. Методы генетики человека Гибридологический метод не подходит для человека по морально-этическим соображениям, а так же из-за малочисленного потомства и позднего полового созревания. Поэтому для изучения генетики человека применяют косвенные методы. 1) Цитогенетический – изучение под микроскопом хромосомного набора. Позволяет соотносить хромосомные аномалии (нарушение количества и/или строения хромосом) с различными болезнями и синдромами. Например, при синдроме Дауна имеется одна лишняя 21-ая хромосома. Берут кровь человека, выделяют лейкоциты, обрабатывают веществами, стимулирующими деление, ждут начала митоза и фиксируют препарат, затем дифференциально окрашивают (получается чередование полос, по которому можно узнать каждую хромосому). Во время беременности можно взять клетки плода (кровь из пуповины, либо амниотическую жидкость, либо фрагменты плаценты) и изучить их хромосомный набор; при обнаружении крупных мутаций – сделать аборт. 2) Биохимический – изучение химического состава организма. Обнаружив биохимическую аномалию, можно целенаправленно искать ее причину (мутацию в определенном гене). При медико-генетическом консультировании метод позволяет узнать, являются ли пациенты гетерозиготами по патологическому гену. Например, гетерозиготы по гену фенилкетонурии не болеют, но в их крови можно обнаружить слегка повышенное содержание фенилаланина. 3) Генеалогический – изучение родословных. Позволяет определить способ наследования признака:
Механизм наследования гемофилии был выявлен при изучении родословной английской королевы Виктории. При медико-генетическом консультировании метод позволяет рассчитать вероятность рождения детей с наследственными заболеваниями. 4) Близнецовый – сравнение однояйцевых близнецов, позволяет изучать модификационную изменчивость (определять, какие признаки и как именно зависят от окружающей среды). Однояйцевые близнецы получаются, когда один зародыш на стадии 30-60 клеток делится на 2 части, и каждая часть вырастает в ребенка. Такие близнецы всегда одного пола, похожи друг на друга очень сильно (потому что у них совершенно одинаковый генотип). Отличия, которые возникают у таких близнецов в течение жизни, связаны с воздействием окружающей среды. Разнояйцевые близнецы (не изучаются в близнецовом методе) получаются, когда в половых путях матери одновременно оплодотворяются две яйцеклетки. Такие близнецы могут быть одного или разного пола, похожи друг на друга как обычные братья и сестры. Методы селекции Селекция происходит в два этапа: сначала создается наследственное разнообразие, а потом производится искусственный отбор. Способы создания наследственного разнообразия 1) Скрещивание (гибридизация)
2) Мутагенез
Способы отбора 1) Искусственный (признаки полезны для человека, могут быть вредны для организма)
2) Естественный отбор при селекции ослаблен, но все равно присутствует, например, пшеница растет в поле, на нее воздействуют все факторы окружающей среды. Гетерозис Гетерозис (гибридная сила) – это явление, при котором гибридное потомство первого поколения очень сильно превосходит родителей по жизнестойкости, продуктивности и т.п. Причиной этого является гетерозиготность гибрида почти по всем аллельным парам, т.е. АаBbCcDdEe… Уже во втором поколении эффект гетерозиса пропадает, потому что разрушается удачное сочетание генов. Гетерозис сейчас получают искусственно, скрещивая в семенных хозяйствах специально подобранные инбредные линии, т.е. линии, полученные путем многократного самоопыления и гомозиготные по большинству генов. Отдаленная гибридизация (аутбридинг) часто приводит к гетерозису. Но межвидовые гибриды (например, мул) не размножаются половым путем, потому что хромосомы отца и матери не могут конъюгировать, процесс мейоза нарушается на ранней стадии и половые клетки не образуются. Карпеченко смог решить эту проблему у растений: он обработал зиготу от межвидового скрещивания (редьки и капусты) колхицином, количество хромосом удвоилось, в каждой клетке получилось по 2 капустных генома и по 2 редечных. При мейозе капустные хромосомы конъюгировали с капустными, редечные с редечными, образовались половые клетки, произошло половое размножение гибридов. Генная инженерия 1) Ультрацентрифугирование Клетки разрушаются и помещаются в центрифугу. Части клетки разделяются по плотности (самые тяжелые собираются на дне пробирки, самые легкие – на поверхности). Так получают фракцию РНК клетки. 2) Гельэлектрофорез Молекулы помещают в гель и создают электрическое поле, в котором заряженные молекулы двигаются. Чем крупнее и разветвленнее молекула, тем медленнее она продвигается через гель. Так можно разделить фракцию РНК на отдельные молекулы. 3) Обратная транскрипция Ревертаза – это фермент, выделенный из РНК-содержащих вирусов, он позволяет синтезировать ДНК на матрице РНК. 4) Полимеразная цепная реакция К ДНК добавляют короткие синтетические праймеры и ДНК-полимеразу термофильных бактерий. Нагревают (ДНК распадается на 1-цепочечные фрагменты), остужают (праймер присоединяется, полимераза удваивает ДНК), затем снова нагревают и т.д. С каждым циклом ДНК становится в 2 раза больше. 5) Рестрикция Рестриктаза – это фермент, который узнает определенную последовательность ДНК (сайт рестрикции) и в этом месте разрезает ДНК, оставляя липкие концы. Рестриктаза нужна бактериям для защиты от фаговой ДНК. К ДНК с помощью лигазы пришиваются участки, содержащие сайты рестрикции для выбранной рестриктазы. После обработки рестриктазой получается кДНК с липкими концами. 6) Плазмиды Это небольшие кольцевые молекулы ДНК, содержащие важные для бактерий гены, например, гены устойчивости к антибиотикам. Бактерии кроме основной ДНК имеют несколько десятков плазмид, могут ими обмениваться. Плазмида обрабатывается рестриктазой. Затем к разрезанным плазмидам добавляют ДНК с липкими концами и эту смесь обрабатывают лигазой, происходит сшивание. Некоторые плазмиды включают в себя пересаживаемый ген. 7) Трансформация Поглощение бактериями ДНК из окружающей среды. В природе это является одним из механизмов изменчивости у бактерий. При генной инженерии в среду с бактериями помещают плазмиды и трясут или бьют током. 8) Отбор Культуру бактерий обрабатывают антибиотиком, ген устойчивости к которому содержался в плазмиде. Те бактерии, которые не поглотили плазмиду, погибают. 9) Скрининг Отбор из трансформированных бактерий тех, у кого в плазмидах содержится пересаживаемый ген. Все бактериальные колонии накрывают фильтром, затем фильтр с прилипшими бактериями погружают в раствор с зондом. Зонд – это участок ДНК, комплементарный пересаживаемому гену, соединенный с меткой (например, радиоактивной). Зонд сконцентрируется в бактериях, содержащих нужный ген, затем с помощью метки можно будет определить положение этих бактерий на фильтре, а следовательно, в чашке Петри. Эволюция Причина БЗС: организмов рождается гораздо больше, чем может выжить, поэтому для них всех не хватает пищи и территории. Определение БЗС: это совокупность взаимоотношений организма с другими организмами и с окружающей средой. Формы БЗС:
Самой ожесточенной является внутривидовая косвенная, т.к. организмы одного вида не могут разойтись в потребностях. Следствие БЗС: естественный отбор. Определение ЕО: избирательное выживание и размножение наиболее приспособленных организмов. Формы ЕО:
Материалом для ЕО является наследственная изменчивость. Следствия ЕО:
Любая приспособленность относительна, т.е. приспосабливает организм только к одним определенным условиям. При изменении условий приспособленность может стать бесполезной или даже вредной. Вид Вид – это совокупность особей, сходных по критериям вида до такой степени, что они могут в естественных условиях скрещиваться и давать плодовитое потомство. Плодовитое потомство – которое само может размножаться. Пример неплодовитого потомства – мул, гибрид осла и лошади. Критерии вида – это признаки, по которым сравнивают 2 организма, чтобы определить, относятся они к одному виду или к разным. 1) Морфологический – внутреннее и внешнее строение 2) Физиолого-биохимический – как работают органы и клетки. 3) Поведенческий – поведение, особенно в момент размножения 4) Экологический – совокупность факторов внешней среды, необходимых для жизни вида 5) Географический – ареал, т.е. территория, на которой живет данный вид. 6) Генетико-репродуктивный – сходство по количеству и строению хромосом, позволяющее организмам давать плодовитое потомство. По одному критерию нельзя судить о виде. Например: 1) Существуют виды-двойники, которые морфологически друг от друга не отличаются, но имеют разное количество хромосом и генетико-репродуктивный критерий не дает им размножаться. 2) Все критерии, кроме генетико-репродуктивного, позволяют ослу и лошади размножаться. Популяция Популяция – это
Дивергенция – это накопление различий между популяциями. Причины: 1) Популяции живут в разных местах, следовательно, в разных условиях. ЕОприспосабливает каждую популяцию к своим условиям. 2) Материалом для ЕО являются мутации, а они случайны, следовательно в каждой популяции свои. Репродуктивная изоляция – это невозможность скрещивания. Между популяциями одного вида имеется относительная изоляция, т.е. раз в несколько тысяч лет обмен генами все-таки происходит. Если изоляция между популяциями станет абсолютной, то различия между ними, будут постепенно накапливаться, и 2 популяции превратятся в 2 разных вида, т.е. произойдет видообразование. Виды изоляции/видообразования: 1) Географическая – когда между популяциями имеется непреодолимая преграда – гора, река, очень большое расстояние. Например, лиственница сибирская и лиственница даурская (на дальнем востоке). 2) Экологическая (биологическая) – когда 2 популяции живут на одной территории, но не могут скрещиваться. Например, разные популяции форелей живут в озере Севан, но нереститься уходят в разные реки, впадающие в это озеро. Направления эволюции Биологический прогресс: увеличение количества особей, расширениеареала, увеличение количества подчиненных систематических единиц (например, внутри класса увеличивается количество отрядов). Причина: хорошая приспособленность вида к условиям окружающей среды. Пример: крысы, тараканы, кошки. Биологический регресс: уменьшение количества особей, сужение ареала, уменьшение количества подчиненных сис-единиц. Причина: окружающая среда меняется быстрее, чем вид успевает к ней приспосабливаться. Примеры: киты, слоны, гепарды. Способы достижения биологического прогресса Ароморфоз:
Например: появление цветка у растений, появление шерсти у млекопитающих. Идиоадаптация:
Например: приспособление цветка к опылению муравьями, расчленяющая окраска шерсти у зебры. Дегенерация: исчезновение органа или системы органов, не нужных в новых условиях. Происходит при переходе к сидячему, подземному/пещерному и паразитическому образу жизни. Например: у аскариды хуже, чем у свободноживущих нематод, развиты нервная система и органы чувств. Сравнительно-анатомические доказательства эволюции Рудименты – органы, которые были хорошо развиты у эволюционных предков, а сейчас они недоразвиты, но полностью еще не исчезли, потому что эволюция идет очень медленно. Например, у человека: волосы на теле, третье веко, копчик, мышца, двигающая ушную раковину, аппендикс. У кита – кости таза. Атавизмы – органы, которые должны находиться в рудиментарном состоянии, но из-за нарушения развития достигли крупного размера. У человека – волосатое лицо, мягкий хвост, способность двигать ушной раковиной, многососковость. Отличия атавизмов от рудиментов: атавизмы – это уродства, а рудименты есть у всех. Гомологичные органы – внешне отличаются, потому что приспособлены к разным условиям, но имеют сходное внутреннее строение, поскольку возникли из одного исходного органа в процессе дивергенции. Пример: крылья летучей мыши, рука человека, ласта кита. Аналогичные органы - внешне похожи, потому что приспособлены к одним и тем же условиям, но имеют разное строение, потому что возникли из разных органов в процессе конвергенции. Пример: глаз человека и осьминога, крыло бабочки и птицы. Эмбриологические1) В зародышевом (эмбриональном) развитии организмов проявляются признаки, которых во взрослом состоянии нет – это признаки эволюционных предков. Например,
2) Закон зародышевого сходства (Бэр): «В онтогенезе сначала выявляются признаки высших таксономических категорий, затем низших. (Например, в онтогенезе курицы сначала проявляются черты типа хордовых, затем подтипа позвоночных, затем класса птиц и т.п.) 3) Биогенетический закон (Мюллер-Геккель): «Онтогенез (индивидуальное развитие) организма есть краткое повторение его филогенеза (эволюционного развития) |